В Европе начинают строить самый мощный в мире рентгеновский лазер на свободных электронах. Россия вложит в этот проект и идеи, и деньги. Об этом - в материале научного обозревателя "Радио Свобода" Ольги Орловой. Материал опубликован в еженедельном журнале "Итоги" (N 25, 19 июня 2008 г.). В Гамбурге в немецком электронно-синхротронном центре DESY скоро построят самый мощный в мире рентгеновский лазер на свободных электронах. Проект XFEL (Х-Ray Free Electron Laser) будет по-настоящему уникален. Яркость нового лазера в миллион раз превосходит ту, что сегодня наблюдается у лучших в мире источников синхротронного излучения. Эксперты считают строительство лазера подобной мощности качественным достижением, которое возможно только один раз, как открытие материка. Еще бы: новой установке окажутся подвластными нанообъекты, которые раньше не поддавались исследованию.
Доля секунды
Ученые придумали создать особый лазер на базе огромного ускорителя электронов до скоростей, чрезвычайно близких к скорости света (так называемых релятивистских электронов). При движении в магнитном поле релятивистские электроны излучают электромагнитные волны в широком диапазоне: от СВЧ до жесткого рентгена. Добиться наибольшей интенсивности излучения можно в том случае, если релятивистский пучок распространяется в переменных магнитных полях. В обычных синхротронах рентгеновское излучение не лазерное, но все равно чрезвычайно мощное. Чтобы сделать его лазерным, в XFEL реализована идея российских ученых. Параметры магнитной системы подбирают так, чтобы навести порядок в неупорядоченном движении электронов. При этом мощность излучения быстро растет в зависимости от длины магнитной системы, увеличиваясь более чем в миллион раз. Получается пучок излучения, чем-то похожий на луч обычного лазера - тот имеет низкую расходимость, то есть слабо расширяется в пространстве, и потому с его помощью можно измерять расстояния не только до удаленных объектов на Земле, но и до Луны и планет.
Лазерный пучок прекрасно собирается линзами в пятнышко размером около длины волны (даже для излучения инфракрасных лазеров это микроны). Таким образом, достигается огромная концентрация энергии. Лазером можно резать металл, проводить хирургические операции, а можно, например, считывать информацию с оптических дисков. А вот XFEL, длина магнитной системы которого составит более трех километров, позволит ученым пойти еще дальше. С его помощью можно будет исследовать те молекулярные структуры, которые не получается изучить обычным путем. Например, многие белки очень сложно кристаллизовать, поэтому ученые не могут сделать их рентгеноструктурный анализ, а значит, и невозможно понять, какова их пространственная структура и какие свойства определяют их работу. Используя XFEL, на молекулу направят мощнейший луч: он за несколько фемтосекунд сделает "рентгеновский снимок" исследуемого белка.
"Можно будет перейти от усредненной во времени "фотосъемки" к "киносъемке" с фемтосекундными (временной интервал между ними составит всего десять в минус пятнадцатой степени) вспышками. Это открывает огромные возможности для изучения химических и физических процессов в молекулах, а также при создании новых материалов и наноструктур", - считает заместитель директора Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований Евгений Сыресин.
Как же получается "снимать кино", если импульс XFEL имеет такую огромную мощность, что любой объект съемки должен разлететься на мельчайшие части при попадании на него луча? "А они и разлетаются, - говорит один из разработчиков XFEL, научный сотрудник DESY Евгений Салдин. - Но ведь до того момента, как атомы отскочат друг от друга, все равно должно пройти несколько фемтосекунд. Вот их-то и оказывается достаточно, чтобы зафиксировать структуру и сделать "снимок", анализируя, как устроен исследуемый нами объект". Поэтому мощный рентгеновский лазер открывает путь для исследований в областях, где ведут работы с объектами размером в доли нанометра. А меньше?
Если рассуждать с точки зрения развития технологий, меньше - уже не очень интересно. Ведь любое вещество существует на атомно-молекулярном уровне, и, если его уменьшать дальше, распадается на ядра и электроны. Мы, во-первых, про это уже почти все знаем, а во-вторых, большинство современных технологий развивается все-таки в "вещественном" (атомно-молекулярном), а не ядерном мире.
Вначале было...
Аналогичные по назначению, но менее мощные лазеры уже строят в США в Стэнфорде и в Японии в научном центре Spring8. А в DESY заговорили о строительстве XFEL в начале 1990-х. Россия оказалась причастной к истории создания XFEL почти 30 лет назад, когда сотрудники Института ядерной физики в Новосибирске Евгений Салдин, Анатолий Кондратенко и Ярослав Дербенев нашли способ превратить синхротронное излучение в лазерное. Тогда они решили опубликовать эти результаты в европейских научных журналах. Дело это было дважды непростым: во-первых, тогда еще многие ведущие научные журналы на Западе брали с ученых плату за публикацию в валюте. И для многих советских ученых это было барьером для публикаций. Но еще до того, как были найдены журналы, согласные напечатать новосибирских ученых бесплатно, необходимо было решить главную проблему: по действующим тогда в СССР правилам на открытую публикацию исследований, касающихся лазеров мощностью больше 10 кВт и длиной волны короче 300 нанометров (а это и есть рентгеновский лазер), полагалось получать разрешение от соответствующего ведомства. "По опыту наших коллег мы знали, что получить разрешение на публикацию практически невозможно, - вспоминает Евгений Салдин, - поэтому решили замаскировать нашу работу под исследование физики высоких энергий, там допуск к публикациям давали куда более охотно". Исследования в этой области велись открыто, активно работал международный ядерный центр в Дубне, куда съезжались ученые со всей Европы. И потому "маскировка" сработала: в 1980 и 1982 годах вышли их статьи о рентгеновском лазере на свободных электронах. Чуть позже, в 1984-1985 годах, об этом же написали американские физики. После этого заговорили о том, что хорошо бы построить подобный рентгеновский лазер в Америке и Европе.
Дальше Салдин продолжал в Новосибирске работы в этой области уже вместе с Михаилом Юрковым и Евгением Шнейдмиллером. Вот их-то в 1994 году и пригласили в Германию в DESY для разработки этого проекта. Тогда ключевым проектом был TESLA - проект электрон-позитронного коллайдера сверхвысоких энергий. И сам XFEL родился в недрах этой большой программы, которая не получила финансирования в Германии и была закрыта. Так что не было бы счастья, да несчастье помогло. TESLA "умер", но для него были разработаны технологии, которые дают жизнь сразу трем проектам. Два из них - FLASH и XFEL - реализуют в Германии, а Международный линейный коллайдер ILC (International Linear Collider) мечтают построить в Дубне.
Правда, скорее всего японцы и американцы запустят свои установки намного быстрее, чем в DESY. И это неудивительно, ведь там они реализуются как национальные проекты, на средства одной страны, что не требует длительного согласования. Тогда как на XFEL финансирование собирали по всей Европе и могли бы собирать до сих пор, если бы не поступившее российское предложение, от которого ученые не смогли отказаться.
Кто платит?
Чтобы создать и запустить установку, требуется около миллиарда евро. Германия как страна местоположения установки обязалась взять на себя половину расходов, то есть около 500 миллионов евро. Остальные страны-участницы (всего их 14) вместе обещали вложить еще 250 миллионов евро. Однако до необходимого миллиарда не хватало еще такой же суммы, и проект оказался под угрозой. Но осенью 2007 года Россия вступила в игру, решив стать второй после Германии страной по части обеспечения расходов.
Хорошо ли это? Главный инженер Объединенного института ядерных исследований член-корреспондент РАН Григорий Ширков считает, что "Россия от участия в проекте XFEL, несомненно, выиграет, поскольку сама займется разработкой технологий и получит доступ к технологиям, разрабатываемым в других европейских странах, для рентгеновского лазера на свободных электронах, являющегося источником синхротронного излучения пятого поколения. Сейчас существующие в России источники синхротронного излучения относятся к источникам третьего поколения. А участие в проекте XFEL позволяет реализовать уникальные технологии, минуя одну ступень - создание источников синхротронного излучения четвертого поколения".
Есть и еще один важный момент, связанный с тем, что Россия вкладывает столь огромные для российской науки деньги всего в один международный проект. Доля каждой страны-участницы делится на две части: "живая" сумма (переводится в Германию) и деньги, которые остаются внутри страны, - на них будут выполнены работы для проекта. Что это означает для нас на практике? Во-первых, чем весомее будет сумма от России, тем дольше будет у России так называемое юзерское время, то есть время, за которое страна-участница может использовать установку для собственных исследовательских проектов. И, во-вторых, чем больше будет сумма, остающаяся внутри страны, тем больше заказов получат российские научные центры у себя дома. Заинтересованных российских центров, готовых участвовать в этом проекте, немало. Так, например, Объединенный институт ядерных исследований в Дубне готов подключиться к созданию нового поколения инструментов и приборов для регистрации гамма-квантов, в том числе матричных детекторов большой площади.
Институт ядерных исследований им. Г. И. Будкера также планирует изготавливать у себя оборудование для XFEL. Значительную роль в проекте играет Курчатовский институт, выступивший инициатором участия российской стороны в XFEL.
Однако, как подчеркивают большинство экспертов, важно не только участие России в таком уникальном европейском научном проекте (это большое дело, в важности которого никто не сомневается). Не менее необходимо для России создание собственных рентгеновских лазеров, пусть меньшей мощности, поскольку источники синхротронного излучения нового поколения нужны любой стране, в которой существуют прикладная наука и наукоемкий бизнес.
